Nouvelle forme de matériel imprimé en 3D visant à des conceptions de voitures plus légères et plus sûres et plus encore
Une nouvelle forme de matériau composite imprimé en 3D en combinant des résines polyoléfiniques avec des nanotubes de carbone multiparois a été développée par une équipe de recherche dirigée par des ingénieurs de l'Université de Glasgow qui est plus résistante et plus légère que des formes similaires d'aluminium. L'équipe prévoit que cela pourrait conduire au développement de structures plus sûres, plus légères et plus durables pour une utilisation dans les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale, des énergies renouvelables et de la marine. Dans un nouvel article, Impact Behavior of Nanoengineered, 3D Printed Plate-Lattices, publié dans la revue Materials &Design , l'équipe décrit comment elle a développé un nouveau « métamatériau » cellulaire en réseau à plaques capable d'une résistance impressionnante aux impacts.
Les métamatériaux sont une classe de solides cellulaires créés artificiellement, conçus et fabriqués pour manifester des propriétés qui ne se produisent pas dans le monde naturel. Une forme de métamatériaux, connue sous le nom de plaques-réseaux, sont des structures cubiques constituées de couches de plaques qui se croisent et présentent une rigidité et une résistance inhabituellement élevées, malgré un espace important entre les plaques. Ces espaces, que les ingénieurs appellent porosité, rendent également les treillis à plaques exceptionnellement légers.
Les chercheurs ont cherché à savoir si de nouvelles formes de conception de plaques et de réseaux, fabriquées à partir d'un composite plastique-nanotube qu'ils ont développé, pourraient créer un métamatériau doté de propriétés encore plus avancées de rigidité, de résistance et de ténacité. Ils ont utilisé leur composite de filaments nanotechnologiques comme matière première dans une imprimante 3D qui a fusionné les filaments pour créer une série de conceptions de plaques et de réseaux. Ces conceptions ont ensuite été soumises à une série de tests d'impact en laissant tomber une masse de 16,7 kg à partir d'une plage de hauteurs pour déterminer leur capacité à résister aux chocs physiques.
Tout d'abord, l'équipe a testé trois types de réseaux de plaques typiques qu'ils ont conçus et construits :un simple cube formé à partir de l'intersection de trois plaques ; un cube plus complexe avec des plaques sécantes supplémentaires ; et, une conception plus multiforme. Ces plaques en treillis typiques ont été fabriquées en deux lots - un en polypropylène et un en polyéthylène.
Ensuite, ils ont testé trois autres réseaux de plaques « hybrides » qui incorporaient des caractéristiques des conceptions les plus simples dans les premières expériences :un hybride cube simple/cube complexe ; un simple hybride cube/multifacette; et, un qui a fusionné tous les trois. Là encore, des lots en PP et PE ont été réalisés.
La conception hybride qui a fusionné les éléments des trois conceptions typiques de plaques-treillis s'est avérée être le mos t efficace pour absorber les chocs, la version PP présentant la plus grande résistance aux chocs. À l'aide d'une mesure connue sous le nom d'absorption d'énergie spécifique, que les scientifiques utilisent pour déterminer la capacité d'un matériau à absorber de l'énergie par rapport à sa masse, l'équipe a découvert que le réseau de plaques hybrides en PP pouvait supporter 19,9 joules par gramme, ce qui serait une performance supérieure à la même chose. conçu des métamatériaux micro-architecturés à base d'aluminium.
Le Dr Shanmugam Kumar, responsable des composites et de la fabrication additive à la James Watt School of Engineering de l'Université de Glasgow, a dirigé le projet de recherche. L'équipe de recherche a également impliqué des ingénieurs mécaniciens et chimistes de l'Université Khalifa à Abu Dhabi et de l'Université Texas A&M à College Station aux États-Unis.
Kumar a déclaré :« Ce travail se situe juste à l'intersection de la mécanique et des matériaux. L'équilibre entre les filaments conçus par nanostructure de carbone que nous avons développés comme matière première pour l'impression 3D et les conceptions hybrides de plaques et de réseaux composites que nous avons créées a produit un résultat vraiment excitant. Dans la poursuite de l'ingénierie légère, il y a une recherche constante de matériaux ultra-légers offrant des performances élevées. Nos réseaux de plaques hybrides nano-conçus atteignent des propriétés de rigidité et de résistance extraordinaires et présentent des caractéristiques d'absorption d'énergie supérieures par rapport à des réseaux similaires construits en aluminium. Les progrès de l'impression 3D rendent plus facile et moins coûteux que jamais la fabrication des types de géométries compliquées avec une porosité sur mesure qui sous-tendent notre conception de plaques et de réseaux. La fabrication de ce type de conception à des échelles industrielles devient une réelle possibilité.
Selon Kumar et l'équipe, une application clé de ce nouveau type de plaques en treillis pourrait bien être dans la fabrication automobile, où il y a un effort perpétuel pour construire des carrosseries plus légères sans sacrifier la sécurité lors des accidents. « L'aluminium est utilisé dans de nombreuses conceptions de voitures modernes, mais notre treillis en plaques offre une plus grande résistance aux chocs, ce qui pourrait le rendre utile dans ce type d'applications à l'avenir… La recyclabilité des plastiques que nous utilisons dans ces treillis en plaques rend également attrayants alors que nous nous dirigeons vers un monde net zéro, où les modèles économiques circulaires seront essentiels pour rendre la planète plus durable », a noté Kumar.
Résine
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